河南省潮土区土壤肥力现状分析

程国峰，黄 达，赵冬丽，王立强，程志杰

（1柘城县农业农村局，河南 商丘 476200；2河南省土壤肥料站，郑州 450003；3滑县土壤肥料站，河南 安阳 456400）

0 引言

潮土是发育在河流沉积物上的土壤类型。中国潮土区地势平坦、有效土层深厚，生长性状良好[1]；面积为38488万hm2，占全国耕地面积的15.9%左右[2]，是中国的粮食生产主产区。河南省潮土分布区域广、面积大，主要分布于黄淮海平原和南阳盆地，其耕地面积占全省耕地面积的43.22%[3]。土壤肥力的概念有狭义和广义之分。狭义的土壤肥力通常指土壤向植物生长发育供应养分的能力；而广义的土壤肥力则为土壤物理、化学、生物性质以及环境状况的综合体现。土壤肥力直接影响着作物生长，关系着农业生产结构，是决定作物产量高低的重要因子[4]。王乐等[5]指出，在华北潮土区，土壤地力对小麦产量的平均贡献率48%，对玉米产量的平均贡献率为51%，而土壤地力越高，说明土壤肥力越高。马常宝等[6]研究结果与之类似，即潮土区土壤肥力对小麦产量的平均贡献率为51.4%，对玉米产量的贡献率为54.0%。唐旭等[7]通过研究水稻-大麦轮作体系18年定位试验指出，土壤肥力对大麦和水稻产量的贡献率分别为69%和75%。国外长期定位监测点结果显示，高肥力土壤在不施肥情况下，耕作50年后作物产量仍能够保持较高水平；而在低肥力土壤不施肥情况下，作物产量则逐年降低[8]。在施用化肥的背景下，土壤养分供应能力由土壤基础肥力和肥料投入共同决定[9]。土壤肥力对产量的贡献率可能会因为不同区位条件、不同作物类型、不同管理措施等因素呈现出明显差异，但其影响效应无法替代。本研究在区域耕地质量调查的基础上，对河南省潮土土壤肥力现状进行了分析，以期为潮土区土壤养分管理提供决策服务。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

选择河南省潮土区滑县、柘城县、睢县3个典型行政县域为研究区域。滑县位于河南省北部，年平均气温13.7℃，年均降水量634.3 mm，年日照时数2365.5 h，无霜期201天。柘城县位于河南省东部，年平均气温14.5℃，年均降水量781.9 mm，年日照时数2023.7 h，无霜期208天。睢县位于河南省东部，年均气温14.0℃，年均水量701 mm，年日照时数2236.0 h。3个县域均属于温带季风气候，地形为平原。

1.2 数据获取

2018年，为进行耕地质量调查和评价，在河南省滑县、柘城县和睢县以666.7 hm2耕地作为一个调查单元，收集了经纬度、地形地貌、土壤类型、土壤质地、灌溉水平、生物多样性、作物产量等信息，同时采集0～20 cm土壤样品，一个土样由15个分样混合而成，然后用于实验室土壤养分含量检测。共获取调查点位375个，本研究选取了其中5个表征土壤肥力的指标，其具体内容及测定方法如下：

土壤pH：依据农业行业标准《土壤检测第2部分：土壤pH的测定》(NY/T 1121.2—2006)测定。

土壤有机质：依据国家标准《耕地质量等级》(GB/T 33469—2016)测定。

土壤全氮：依据农业行业标准《土壤检测第24部分：土壤全氮的测定自动定氮仪法》(NY/T 1121.24—2012)测定。

土壤有效磷：依据农业行业标准《土壤检测第7部分：土壤有效磷的测定》(NY/T 1121.7—2014)测定。

土壤有效钾：依据农业行业标准《土壤速效钾和缓效钾含量的测定》(NY/T 889—2004)测定。

1.3 数据处理

运用Microsoft Excel 2016和Sigmaplot 12.5对试验数据进行统计和绘制图表，运用SPSS Statistics 26.0软件对试验数据进行主成分分析。采用K-均值聚类法将土壤有机质、全氮、有效磷、速效钾含量分为4个等级。所涉及的土壤肥力要素含量数据（盒形图）均以每组数据的中值表示。

2 结果与分析

2.1 土壤养分现状分析

如图1所示，在375个调查样本数据中，土壤pH变化范围为 pH 7.3～8.7，平均为 pH 8.2，变异系数2.6%。说明潮土区土壤属中性和偏碱性。土壤有机质含量变化范围2.7～38.1 g/kg，平均为17.4 g/kg，变异系数28.8%。土壤全氮含量变化范围0.4～1.74 g/kg，平均为1.11 g/kg，变异系数22.7%。土壤有效磷含量变化范围3.3～99.0 mg/kg，平均为21.1 mg/kg，变异系数71.6%。土壤速效钾含量变化范围30～417 mg/kg，平均为141 mg/kg，变异系数45.9%。

图1 潮土土壤肥力要素含量

2.2 土壤养分含量分级

利用K-均值聚类分析法将土壤养分含量分为4个等级。如表1所示，土壤有机质含量4个分级范围分别为＞23.6、18.1～23.6、12.2～18.1、＜12.2 g/kg，平均值分别为26.4、20.6、15.6、8.8 g/kg，每一分级样本所占总样本量的比例分别为8.0%、37.1%、41.3%、13.6%，第2、3分级共占比例为78.4%。

表1 土壤养分含量分级

土壤全氮含量分级范围分别为＞1.35、1.09～1.35、0.85～1.09、＜0.85 g/kg，平均值分别为1.48、1.22、0.97、0.74 g/kg，每一分级样本量所占总样本的比例分别为18.4%、30.7%、35.7%、15.2%，第2、3分级共占比例66.4%。

土壤有效磷含量分级范围分别为＞61.9、36.1～61.9、18.3～36.1、＜18.3 mg/kg，平均值分别为 79.0、48.9、24.4、12.2 mg/kg，每一分级样本量所占总样本的比例分别为2.7%、8.8%、32.0%、56.5%。

土壤速效钾含量分级范围分别为＞256、171～256、110～171、＜110 mg/kg，平均值分别为 308、205、136、84 mg/kg，每一分级样本量所占总样本的比例分别为6.4%、18.9%、38.4%、36.3%，第3、4分级共占比例74.7%。

2.3 土壤肥力主成分分析

如表2所示，按照指标得分系数从大到小排列为土壤全氮＞有机质＞pH＞速效钾＞有效磷。第1、2、3主成分的特征值分别为2.638、0.946、0.702，对总方差的贡献率分别为52.766%、18.918%、14.043%，三者之和为85.727%，前两者之和为71.683%，即第1、2主成分影响了土壤肥力全部变化的71.683%。由表3可以看出，土壤全氮、有机质、有效磷三个指标是影响土壤肥力变化的主要因素。

表2 主成分特征值及其在总变异方差中的占比

表3 成分矩阵

3 结论

河南省潮土区土壤平均pH 8.2，土壤呈中性至偏碱性。土壤有机质、全氮、有效磷、速效钾、平均含量分别为 17.4 g/kg、1.11 g/kg、21.1 mg/kg、141 mg/kg。土壤有机质、全氮含量主要处于中等水平；土壤有效磷含量、速效钾含量整体处于低水平。土壤全氮、有机质、有效磷是潮土区土壤肥力的主要贡献因子。

4 讨论

王乐等[10]通过分析中国12个省、市、自治区51个潮土长期耕地质量监测数据，指出1997—2016年间潮土土壤pH呈下降趋势，监测后期（2004—2016年）平均为pH 7.8；土壤有机质、全氮、有效磷、速效钾含量整体呈上升趋势，监测后期（2004—2016年）其平均含量分别为17.2 g/kg、1.06 g/kg、28.3 mg/kg、135 mg/kg；同时，其指出潮土区土壤全氮和有机质是土壤肥力的主要贡献因子，培肥潮土的主要途径是提升两者含量。本研究结果除土壤速效磷含量降低了7.2 mg/kg，其他养分含量无较大差异。

本研究指出，土壤全氮、有机质、有效磷3个指标是影响潮土土壤肥力变化的主要因素。而农田土壤肥力在时间尺度上的变异主要源于人为因素，农业管理措施尤其长期施肥对土壤理化性状影响显著。在农业生产实际，应注重应用增施有机肥、秸秆还田、采用保护性耕作等有助于提升土壤有机质含量的技术措施。在目前大量施肥的情况下，土壤养分含量与肥料投入量息息相关。大量研究结果表明，过量施用氮肥已经产生了负面效应，如导致土壤养分失衡，增加硝酸盐淋失风险，不仅浪费了氮素资源，而且污染了环境[11-13]。王乐等[5]分析指出，潮土区化肥投入量N:P2O5:K2O为1:0.41:0.61，显然氮的投入量要远远高于磷钾的投入量。因此，应注重调整施肥结构，平衡养分尤其氮素磷素投入量。

关于土壤养分丰缺分级标准，研究中大多利用专家经验法，而且所涉及的区域范围较广。本研究利用K-均值聚类分析法将潮土土壤养分含量定量划分为4个等级，具有较强的针对性。同时，关于土壤养分含量的最佳合理范围或者阈值范围缺乏相应的研究，需要进一步的深入研究。不过对于土壤磷含量阈值，已有研究进行了定量分析。张珂珂等[14]研究结果表明，潮土区0～20 cm土层有效磷生态阈值为25 mg/kg，超过这一临界值，则土壤磷素淋失风险增大，需要控制磷的投入量。郭斗斗等[15]指出，在土壤有效磷含量＜13.1 mg/kg范围内，潮土区小麦产量随有效磷含量增加而增加，而当＞13.1 mg/kg时，有效磷含量增加对小麦的产量没有显著影响，并且有效磷长期处于盈余状态，淋失风险增大。中国土壤速效磷与产量之间的农学阈值范围在10.9～21.4 mg/kg，其中冬小麦平均为16.3 mg/kg，夏玉米平均为15.3 mg/kg[16-17]。则本研究375个样品中，22.9%的点位有效磷含量＞25 mg/kg，52.8%的点位＞16.3 mg/kg，57.9%的点位＞15.3 mg/kg，65.1%的点位＞13.1 mg/kg。若按照目前研究中确定的土壤有效磷阈值，潮土区有一半以上有效磷含量盈余，农业生产中应有针对性地减少磷投入量，尽可能提高土壤磷利用效率。